别看我就是一只羊
范文一：薄膜厚度的测量
薄膜厚度的测量
——台阶仪安装操作说明
一、台阶仪的安装
1、硬件的安装
1）打开电脑机箱盖，将台阶仪自带的电视卡插入PCI扩展槽，插好后将电脑机箱盖合上;
2)接上台阶仪电源线，将台阶仪上的USB线和视频线与电脑箱连接；
2、软件的安装
1）打开电脑机箱和显示器，将台阶仪自带的光盘插入电脑光驱；
2）将光盘上所有的内容都复制到电脑C盘根目录下；
3）安装光盘中的两个驱动程序，安装完成后重启计算机;
4）计算机重启后将拷入C盘中的注册表文件导入，导入成功后将台阶仪操作软件图标发送到桌面；
二、台阶仪的操作
1、台阶仪的标定
1）打开电脑机箱和显示器，打开台阶仪电源，等待10秒后将电脑桌面上的操作软件打开，几秒后自动弹出两个对话框，点击确认后进入操作界面；
2）拿出标定用的标准样品，拿出样品后立即合上盒盖，防止灰尘进入；
3）打开台阶仪保护盖，将标准样品贴紧样品台滑到台中央；
4）调节样品台位置，使标样在探针正下方；
5）点击操作软件上的“Setup”按键，设置扫描参数，将Speed设置为0.07mm/sec，Length设置为0.6mm，Range设置为10microns，Stylus Force设置为1mg，Filter Level设置为4，点击OK进行确认；
6）点击Engage，观察标准样品与探针所处的位置，如果样品台阶中央不在探针下方，点击Z+将探针升高，通过调节样品台使标准样品处于探针的正下方，合上保护盖，点击Engage，继续观察标准样品与探针的位置，如此反复操作，直到标准样品的台阶在探针的正下方；
7）点击Scan，并点击确认扫描对话框，台阶仪自动进行扫描，扫描结束后，探针自动复位，测出的数据会自动弹出来；
8）用鼠标引动R,M光标，（R为参照光标，M为测量光标）到台阶的两侧，点击Level Date将台阶的曲线调平；
9）在曲线图窗口中点击鼠标右键，选择Size Cursors，将R,M光标线进行展开到适合宽度，然后点击鼠标右键将M光标移动到台阶上，窗口的右上角就会显示出台阶的平均高度；
10）重复7-9的步骤，反复测量几次，带测量数据稳定后，在曲线图窗口点击右键，选择Calibrate Height，在弹出的对话框中填写1063?，点击确定；
11）重复7-9的步骤，将测量出的台阶数据和标准样品给出的数据对比，一般来说只有几个?的差别；
12）台阶仪标定完成；
2、台阶仪的测量操作
1）打开电脑机箱和显示器，打开台阶仪电源，等待10秒后将电脑桌面上的操作软件打开，几秒后自动弹出两个对话框，点击确认后进入操作界面；
2）打开太介意保护盖，将样品贴紧样品台滑到台中央；
3）点击点击Engage，观察标准样品与探针所处的位置，如果样品台阶中央不在探针下方，点击Z+将探针升高，通过调节样品台使标准样品处于探针的正下方，合上保护盖，点击Engage，继续观察标准样品与探针的位置，如此反复操作，直到标准样品的台阶在探针的正下方；
4）点击Scan，并点击确认扫描对话框，台阶仪自动进行扫描，扫描结束后，探针自动复位，测出的数据会自动弹出来；
5）用鼠标引动R,M光标，（R为参照光标，M为测量光标）到台阶的两侧，点击Level Date将台阶的曲线调平；
6）在曲线图窗口中点击鼠标右键，选择Size Cursors，将R,M光标线进行展开到适合宽度，然后点击鼠标右键将M光标移动到台阶上，窗口的右上角就会显示出台阶的平均高度；
7）如果对数据还要进行其他分析，继续在分析中操作，具体的粗糙度、薄膜内应力的分析步骤见后面详细说明；
8）关闭分析软件窗口后，返回操作界面，点击Z+，将探针升起；
9）打开保护盖，调节样品台将样品滑出，然后放入下一个样品，用
上面的步骤进行测量；
10）测试完毕后，点击Z+将探针升到顶端，关闭测试软件，关闭台阶仪电源，关闭电脑。
粗糙度的分析
1）将分析软件界面最小化，返回操作的主界面，点击Setup，在打开的对话框中的Calculations选项，将需要进行分析的粗糙度等打上勾；
2）返回分析软件界面，将界面下端的High Pass和Low Pass打上勾；
3）在曲线图上任意位置点击鼠标右键，选择Calibrate Measurement，在弹出的对话框中将会显示样品的粗糙度等信息；
薄膜内应力的分析
1）在操作主界面的Tools菜单中选择Thin Film Stress选项；
2）在弹出的对话框中点击Load Post Stress File加载数据文件，然后点击Load Pre Stress File加载数据文件，注意两个数据文件时在相同的扫描设置下扫描出文件；
3）然后输入薄膜厚度和衬底的厚度，点击Calculate，薄膜的应力结果将在对话框的右下角显示；
注意事项
1、拿出标准样品后要立即关闭样品盒，同时要注意保护好标准样品；
2、放置和移动前一定要将探针升高；
3、放置样品时，样品要紧贴样品台滑动；
4、测量时要将保护罩合上；
5、尽量不要用Z-按钮；
6、测量完成后要立即将探针升起；
7、死机或断电时一定要将台阶仪电源关闭；
8、没测试完一个样品一定要将数据导出；
9、粗糙度的分析；
10、薄膜内应力的分析；
11、台阶仪的搬迁及环境要求。
范文二：椭偏仪测量薄膜厚度
光学实验数据记录
椭偏仪测量薄膜厚度数据记录
一(实验数据记录
椭偏仪测量薄膜厚度
次数 检偏角A 起偏角P
第一次 48(25? 173.75?
第二次 133.50? 81(00?
二(实验问题
1.调节中电流表指针已经达到最小值后又再次回升，确定电流的最小值十分困难。
光路调节完成后，便直接读出起偏器的角度数值，然后可以旋转检偏器的角度数盘，往两个不同的方向旋转，观察检偏器的电流的变化趋势，选择电流表数值减少所对应的旋转方向，慢慢的转动检偏器的角度数值盘。
我们尽量旋转电流表指针指向最小值并开始有回升趋势的时候，不再旋转角度读数盘，等待一段时间后，电流指针不再转动静止下来，此时可以先读取一个角度值，然后在轻微的像两个不同的方向旋转角度读数盘，这个时候如果待指针静止下来的时候，与先前值比较，如果大于先前值，则去先前的角度数值，如果小于先前的读数，则取现在的读数值。
1
范文三：薄膜厚度与光学常数的测量
薄膜厚度与光学常数的测量
一、实验目的
了解薄膜厚度测量的主要测量原理和方法以及流程，掌握Filmetrics 膜厚测试仪的测试原理，操作流程，特点及注意事项。
二、实验原理
在现代科学技术中，薄膜已有广泛的应用。薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标，薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。目前，两类主要的薄膜测量是基于光学和探针的方法。探针法测量厚度及粗糙度是通过监测精细探针划过薄膜表面时的偏移。探针法在测量速度和精度上受限，并且测量厚度时需要在薄膜里作一个“台阶”。探针法通常是测量不透明薄膜（例如金属）的首选方法。光学法是通过测量光与薄膜如何相互作用来检测薄膜的特性。光学法可以测量薄膜的厚度、粗糙度及光学参量。光学参量是用来描述光如何通过一种物质进行传播和反射的。一旦得知光学参量，就可以同其它重要参量（例如成分及能带）联系起来。两类最常用的光学测量法是反射光谱法及椭圆偏光法。反射光谱法是让光正（垂直）入射到样品表面，测量被薄膜表面反射回来的一定波长范围的光。椭圆偏光法测量的是非垂直入射光的反射光及光的两种不同偏振态。一般而言，反射光谱法比椭圆偏光法更简单和经济，但它只限于测量较不复杂的结构。
Filmetrics 膜厚测试仪采用的是反射光谱法的原理，可测量薄膜的厚度及光学常数。反射光谱包含了样品的反射率，膜层厚度，膜层和基底的折射率与消光系数的信息。光学参量（n 和k ）描述了光通过薄膜如何进行传播。n 是折射率，描述了光在材料中能传播多快，同时它表示入射角i 与折射角r 的关系。k 是消光系数，决定材料能吸收多少光。n 与k 是随着波长的变化而变化的。这种依赖关系被称为色散。不同波长的光波在穿透被测膜层时会产生不同的相位差，由被测膜层的厚度与n ，k 值决定各个波长的光所产生的相位差，相位差为波长整数倍时，产生建设性叠加，此时反射率最大；相位差为半波长时，出现破坏性叠加，反射率最低；整数倍与半波长之间的叠加，反射率介于最大与最小反射之间，这样就形成了干涉图形。
如图1所示，在单层界面上，
入射光分解为反射光和折射光，
其中材料的折射率 (n0, n1) ，入射
角 (i)。
对于多于一层的界面，有许图1(a)单层界面(b)多层界面光传播示意图 多个反射光线射出薄膜。射线1
的强度由n 0, n1决定。射线2的强度由n 0, n1, ns, k1决定。反射强度依赖于折射率和消光系数。射线2在厚度为t 1的膜层中传播速度由反射率决定n 1。射线1没有进入膜。这样，当射线2离开膜层的时候，它就相对与射线1有一个延时，这个延时依赖于t 1和n 1。射线1和2的光波就有了相
位差。相位差的影响又与光的波长有关。因为射线1和2不同相，所以它们之间就形成了干涉。
因此，测量的反射光谱可以分解为：（1） 各个界面上的反射（2）反射光之间的干涉（3）膜层材料对光的吸收 。这些都依赖于膜层参数：厚度，折射率，消光系数。膜厚仪测量出反射光强与波长函数的实验光谱，软件中膜层的构建模拟出理论光谱。如果膜层的构建是正确的，那么两条光谱会完美的拟合。
三、实验仪器、原料和试剂等
1、 实验仪器：膜厚仪
2、 原料：镊子，待测膜厚样品，标样等
四、实验内容和步骤
1、开机：打开电脑，接上膜厚仪光纤，打开膜厚仪电源，打开光纤电源。
2、测量膜厚：
(1) 打开膜厚仪操作软件，膜厚仪自检结束，把待测样品放到测试平台中间。
(2) 测量单点的厚度时，打开软件的测量界面。(a)编辑配方：编辑测量参数，根据所制备的样品，选择待测样品的材料，衬底材料。同时估计待测样品的厚度，选择合适的厚度范围；(b)基准：先把标样放在测试平台中间，采集样品，然后换上待测样品，根据衬底材料选择参考标准，采集参考值，最后完成基准；(c)然后点击测量操作，测量结果就会显示出待测点的厚度。(d)根据对比实验光谱和理论光谱的拟合度，判断所测量的厚度是否准确；否则，样品的估计厚度不在范围内，需重新调整，重新测量。重复测量过程直至获得可参考的薄膜厚度。
(3) 进行多点测量时，打开软件的WaferMap 界面。Edit 同单点的编辑配方，Baseline 同单点的基准，点击Start 开始测量。其中点的数量和组成形状在工具条的“编辑”—“Map Pattern”中可选。
3、测量光学常数：准确测量薄膜厚度后，在编辑配方中选择准确的薄膜厚度，在n,k 值后面方框中选勾，点击OK ，就可以得出待测薄膜的光学常数。
4、实验结束后，关闭膜厚仪操作软件，关闭光纤电源，膜厚仪电源，取下光纤。关电脑，关总电源。
五、实验注意事项
1、接光纤时严禁把折叠光纤。
2、仪器自检时禁止放样操作，避免损坏仪器。
3、在换样时不能把换下的样品放到样品台上，以免在移动的过程中，样品掉入膜厚仪中。
六、实验报告
1、简要说明Filmetrics 膜厚测试仪的原理和测试流程；
2、详细描述实验过程和实验步骤；
3、实验报告用正规的报告纸书写，要求思路清晰、书写工整。
范文四：利用等色干涉原理测量薄膜厚度
利用等色干涉原理测量薄膜厚度 第12卷第5期(2007)寸音高评子拒Vo1.12No.5(2o07) 利用等色干涉原理测量薄膜厚度
魏秀芳
(西北师范大学,甘肃兰州,730070;兰州城市学院,甘肃兰州,730070) 摘要:文章讨论了等色干涉的原理,并利用该原理给出测量介质厚度的方法. 关键词:等色干涉;薄膜厚度
中图分类号:0436.1文献标识码:A文章编号:1008—9020{2007)05-031—02 1.等色干涉原理
我们知道,当光在传播过程中遇到两种介质的分界面
时,因介质的折射率不同而发生部分反射和部分折射.由于分 界面上的反射,根据能量守恒,透射光被减弱了,这不利于光 学系统的优质成像,所以要利用真空镀膜技术.在成像系统
的表面蒸镀一层减反膜,使薄膜的两个表面的反射光振幅大 约相等,而相位相反,反射光相消干涉,透射光就加强了.
在玻璃基底上镀一层消反射膜(如MgF2n2=1.38)如图1
所示.两束反射光之间没有引起附加相位差叮r.若是垂直入射 (1)式中,折射率,l2和薄膜厚度d都是常数,变量为波长
A和干涉级,对不同的干涉级,则有不同波长的光反射相
消,称为等色干涉.
2.等色干涉测厚原理
由(2)式得消反膜的厚度d为
如)(3)
对于给定的波长A.,不同的J.值对应不同的厚度d.只有
满足下面条件的波长反射相消
21T1/Ao一=
2订c『+),_『:o,12一(4)
相邻极小的波长差A(1/A)对应=1,所以有
?1
由此可见J值越大,即镀层厚度d越厚,相邻极小的波 长差A(1/A)越小.在可见光范围中,可能有几种波长反射相 消,同时也有几种波长反射加强.在整个可见光波段里,平均 起来既不能消反射,也不能增反射.因此,在玻璃基底上蒸镀 过厚的薄膜时.反而达不到消反的目的.如图2(k=550nm,j=5
时的情况)所示.
J,
4
WAAA一79lll3l5l71
llllll
图2过厚的"消反膜"
我们可以利用此现象测量薄膜的厚度.用可见光垂直照 射被测薄膜,在反射光谱中,将出现许多暗带,由(1)式和(2)式 可得相邻暗带的波数差为
?(})=(6)
利用光谱仪的色散,测出相邻暗带的波数差a(s/a),已 知薄膜折射率,l2,根据(6)式,便可算出薄膜的厚度d. 3.等色干涉测厚
由(6)式得等色干涉测厚公式
——
1_(7)
2n2A【J
待测薄膜折射率n2=1.38,用可见光垂直照射(eosi=1),可 观察到三个暗带,测出相邻暗带的波数差分别为: ?(}).:238×
?(})=2.43×1
代人(7)式得:
.d1=1.52xl&rim
收稿日期:2007—03—28
作者简介:魏秀芳(1969一),女,甘肃皋兰人,兰州城市学院副教授,在读硕士研究生,主要研究方向为原子与分子物理.
31
一,一一一
第l2卷第5期(2O0r7)魏秀芳:利用等色干涉原理测量薄膜厚度Vo1.12N..5(20o7) d1.49xl(Pnm
求平均得薄膜的厚度为:d=1.505xl(Pnm.
由此可见,利用等色干涉现象测量薄膜厚度时,对光源
的要求不高,只需白光即可,另外实验简单容易实现,实验结
果精度较高,是实验室测量薄膜厚度的有效方法之一.
参考文献:
【1】易明.光学嗍.北京:高等教育教育出版社,1999.
【2l姚启钧.光学.嗍.北京:高等教育教育出版社,1999.
Usingtheoryofisochromaticinterferencemeasurefilmthickness
WeiXiufang
(NorthwestNormalUniv~ity,Lanzhou730070,Gansu,China;DepartmentofPhysics,Lanz
houCityUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China) Abstract:Inthispaper,westudytheoryofisochromaticinterference,andslveawayaboutusin
gthistheorytomeRsurefilmthickness. Keyword:Isochmmatlcinterference;.f.i.1.m——thickness.
责任编辑:谢继国
(上接第23页)
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其次,证明,=()在E一-e上一致收敛于,(). 32
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?.仅与k和6有关,与?Es无关,因此对V跏,3.I},使融< ,只要,I?.(8,6),对一切eEa,有()x)l<s,亦即 ()在--e上一致收敛于_,().
参考文献:
【1】匡继昌.实分析与泛函分析,高等教育出版社,2003. 【2]周民强.实变函数论,北京大学出版牡,2003. 责任编辑:蒲向明
范文五：椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
【引言】
椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性
的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现
的偏振变换。 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、
金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜) 、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，
也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测
量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优
点。
【实验目的】
掌握椭偏仪的原理与操作方法；
学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。
【实验仪器】
椭偏仪、待测样品、电脑
WJZ －II 椭偏仪结构 如图1所示：
1、半导体激光器 7、望远镜筒
2、平行光管 8、半反目镜
3、起偏器读数头（与6可换9、光电探头
用） 10、信号线
4、1/4波片读数头 11、分光计
5、氧化锆标准样板 12、数字式检流计
6、检偏器读数头
图 1
半导体激光器出厂时已调好，应满足以下二点：
（1） 激光光斑在距激光器约45cm 处最小，如发现偏离较远，可将激光器
从其座中取出，调节其前端的会聚透镜即可。
（2） 激光与平行光管共轴，如发现已破坏，请按第8页“光路调整”中
所述方法进行调整，一旦调好，轻易不要将其破坏。
主要技术性能及规格
1. 测量透明薄膜厚度范围0－300nm ，折射率1.30－2.49。
2. 起偏器、检偏器、1/4波片刻度范围0°-360°，游标读数0.1°。
3. 测量精度：±2nm 。
4. 入射角ψ1＝70°，K9玻璃折射率n ＝1.515。
5. 消光系数：0，空气折射率1。
6. *JGQ－250氦氖激光器波长λ＝632.8nm （用软件处理数据时，该波长值已 内嵌，无须输入）。
*半导体激光器波长λ＝635nm （用软件处理数据时，该波长值未内嵌，须输入，
并需重新设臵消光系数“0”）
7. 椭圆偏振仪的简介：
随着科学和技术的快速发展，椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完
善快捷。这里介绍常用的手动型椭圆偏振测厚仪（TP-77型）和自动型椭圆偏振
测厚仪(SGC-2型) 。手动型椭圆偏振仪采用632.8nm 波长的氦氖激光器作为单色
光源，入射角和反射角均可在90度内自由调节，样品台可绕纵轴转动，其高度
和水平可以调节，样平台可绕纵轴转动，其高度和水平可以调节。检偏器旁边有
一个观察窗，窗下的旋钮用以改变经检偏器出射的光或者射向光电倍增管。为了
保护光电倍增管，该旋钮的位臵应该经常放在观察窗位臵。SGC-2型自动椭偏仪，
其自动化程度高，光路调试完毕后只要装上待测样品，点击计算机上的相应菜单，
输入相应的参数，即可自动完成起偏器，检偏器的调节，找出消光点，并直接给（ψ，?）（d ，n 2）曲线和出待测样品的d 和n 2的值。该仪器也有会出~（ψ，?）（d ，n 2）~表格的功能，测出ψ和?值后，可在曲线上或表中查出对应的
最佳的n 2和d 值。仪器还适用于测量厚度超过一个周期以上的薄膜样品。测量方
法是利用“双角度”功能，设臵好二次测量的角度，点击菜单，就可以得出样品
的周期数以及样品的总厚度值。对于厚度超过一个周期的薄膜，相应的光程差引
起的相位差超过了一个周期360度，这时所得的δ数据应该加上对应的周期数，
在计算d 的值。
【实验原理】
椭圆偏振测量（椭偏术）是研究光在两媒质界面发生的现象及介质特性的一
种光学方法，其原理是利用偏振光在界面反射或透射时发生的偏振态的改变。 椭
圆偏振测量的应用范围很广，如研究半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、
玻璃(或镀膜) 、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等光学性质，也可用于介
电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算
机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
光学材料镀上各向同性的单层介质膜后，介质层的折射率为n1、n2、n3，
φ1为入射角，则在1、2介质交界面1和2、3介质交界面2会产生反射光和折
射光的多光束干涉，如下图：
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差，其中 δ=2πdn2cos φ2/λ ，用
r1p 、 r1s表示光线的p 分量、s 分量在界面1的振幅反射系数， 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2的振幅反射系数。 由多光束干涉的复振幅计算可知：
其中Eip 和Eis 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，Erp 和Ers 分别
代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量。现将上述Eip 、Eis 、Erp 、Ers 四个量写成一个量G ，即：
我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用tg ψ和Δ表示它的模和幅
角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：
G 是变量n1、n2、n3、d 、λ、φ1的函数(φ2 、φ3可用φ1表示) ，即ψ=tg-1G，
Δ=arg| G |， 称ψ和Δ为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程：
[tgψe iΔ]的实数部分
=
的实数部分
[tgψe iΔ]的虚数部分 ：
的虚数部分
若能从实验测出ψ和Δ的话，理论上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已
知) ，根据公式(4)~(9)，推导出ψ和Δ与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和δ的关系：
由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。 这就是椭偏仪测量薄膜的基
本原理。若d 是已知，n2为复数的话，也可求出n2的实部和虚部。
那么，在实验中是如何测定ψ和Δ的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：
由式(3)和(12)，得：
其中：
实验需测量四个量，即入射光的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振
幅比和相位差，若入射光为圆偏光（等幅椭圆偏振光），Eip/Eis = 1， 则
tg ψ=| Erp /Ers |
对于相位角，有：
对于特定的膜，Δ是定值，若实验时调整入射光两分量的相位差βip-βis （入
射光βip-βis 连续可调，可从起偏器的方位角算出），使反射光成线偏光，即βrp-βrs=0或(π) ，则Δ=-(βip-βis) 或Δ=π-(βip-βis) 。
实际检测方法：
等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图3)
– 线偏振光通过四分之一波片，使得具有±π/2相位差。
– 使入射光的振动平面和四分之一波片的光轴成45°。
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
图 3
（反射光的检测）
将四分之一波片臵于其快轴方向f 与x 方向的夹角α为π/2的方位，E0为通过
起偏器后的电矢量，P 为E0与x 方向间的夹角。，通过四分之一波片后，E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前π/2。
在x 轴、y 轴上的分量为：
由于x 轴在入射面内，而y 轴与入射面垂直，故Ex 就是Eip ，Ey 就是Eis 。
图 3
由此可见，当α=π/4
时，入射光的两分量的振幅均为E 果写成：
位差为2P-π/2，改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。这一结
【实验步骤】
1、 用自准直法调整好分光计（请参照JJY1’分光计说明书，或本实验后的附
录），使望远镜和平行光管共轴并与载物台平行。
2、 分光计度盘的调整：使游标与刻度盘零线臵适当位臵，当望远镜转过一定
角度时不致无法读数。
3、 光路调整。
（1） 卸下望远镜和平行光管的物镜，在平行光管物镜的位臵旋上校光片A 。
（2） II 型椭偏仪标配半导体激光器（出厂时已较好其光轴），装在平行光
管外端，在平行光管另一端（原物镜位臵）旋上校光片A ，此时如旋
转激光器，观察光斑应始终在黑圆框内（见图5），如不在，说明激
光器的共轴已破坏，则应调整激光器在其座内的位臵，使其共轴，方
法如下：
图 4 图 5
如图4所示，半导体激光器被六颗调节螺钉固定在激光器座内，
把激光器及座臵于平行光管外端，在平行光管内端校光片A 上可见激
光光斑，当激光器转动时，其光斑位臵也不停变化，适当调节六颗螺
钉，令光斑始终在黑圆框内，然后紧固螺钉即可。由于激光器出厂时
已调好共轴，如因特殊原因被破坏，应由教师调好共轴，所以II 型椭
偏仪的光路调节大为简化。
（3） 将校光片A 和B 分别臵于望远镜光管内外两端（A 和B 因架子不同，
只可分别装于光管两端），同理，光斑也应同时在校光片A 和B 的圆
框内，如不在，说明平行光管与望远镜的共轴未调整好，应重新第1
步的调整，使共轴。
（4） 换下两只校光片，换上半反目镜，并在半反目镜上套上光电探头，通
过信号线连接数字式检流计，因目镜内装有45°半反镜片，既可从
目镜中观察光斑，也可通过检流计（使用方法详见其说明书）确定光
电流值。
4、 检偏器读数头位臵的调整与固定。
（1） 检偏器读数头套在望远镜筒上，90°读数朝上，位臵基本居中。
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
（2） 将黑色反光镜臵于载物台中央，将望远镜转过66°（与平行光管成
114°夹角），使激光束按布儒斯特角（约57°）入射到黑色反光镜
表面并反射入望远镜到达半反目镜上成为一个圆点。
（3） 转动整个检偏器读数头使调整与望远镜筒的相对位臵（此时检偏器读
数应保持90°不变），使半反目镜内的光点达到最暗，将此时检偏器
读数头的位臵固定下来（拧紧三颗平头螺钉）。
（4） 适当旋转激光器在平行光管中的位臵（旋转角度为±90°），使目镜
中光点最暗（或检流计值最小），然后固定激光器。
5、起偏器读数头位臵的调整与固定。
（1） 将起偏器读数头套在平行光管镜筒上，先不要装上1/4波片，0°读数
朝上，位臵基本居中。
（2） 取下黑色反光镜，将望远镜系统转回原来位臵，使起、检偏器读数头
共轴，并令激光束通过中心。
（3） 调整起偏器读数头与镜筒的相对位臵（此时起偏器读数应保持0°不
变，即转动整个读书头），找出最暗位臵。此位臵为起偏器读数头位臵，
并将三颗平头螺钉拧紧。
6、1/4波片零位的调整。
（1） 起偏器读数保持0°，检偏器读数保持90°，此时白屏上的光点应最
暗（或检流计值最小）。
（2） 1/4波片读数头（即内刻度圈）对准零位。
1/4波片框的红点（即快轴方向记号）向上，套在内刻圈上，并微微转
动（注意不要带动刻度圈）。使半反目镜内的光点达到最暗（或检流计
值最小），固紧1/4波片框上的柱头螺钉，定此位臵为1/4波片的零
位。
7、将仪器按照椭偏仪的调整中所述的方法调整好。
（1） 将被测样品，放在载物台的中央，旋转载物台使达到预定的入射角
70°，即望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。
（2） 为了尽量减少系统误差，采用四点测量。先臵1/4波片快轴于+45°，
仔细调节检偏器A 和起偏器P ，使目镜内的亮点最暗（或检流计值最
小），记下A 值和P 值，这样可以测得两组消光位臵数值。
其中A 值分别大于90°和小于90°，分别定为A1（>90°）和A1（<>
对应的P 值为P1 和P2。然后将1/4波片快轴转到-45°，也可找到两组消光位臵数值，A 值分别记为A3（>90°）和A4（<90°），所对应的p 值为p3="" 和p4。将测得的4组数据经下列公式换算后取平均值，就得到所要求的a="" 值和p="">
（1）A 1-90 °=A(1)
（2）90°-A2=A(2)
（3）A 3-90°=A(3)
（4）90°-A 4=A(4) P 1=P(1) P 2+90°=P(2) 270°-P 3=P(3) 180°-P 4=P(4)
A ＝[A(1) +A(2) +A(3) +A(4) ]÷4 P ＝[P(1) +P(2) +P(3) +P(4) ]÷4
注：上述公式公适用于A 和P 值在0-180°范围的数值，若出现大于180°的数
值时应减去180°后再换算。
根据测量得到的A 和P 值，分别在A 值数表和P 值数表的同一个纵、横位臵上
找出一组与测算值近似的A 和P 值，就可对应得出薄膜厚度d 和折射率n 。（数据处
理建议使用仪器所配套的软件，详见软件说明书）。
8、椭偏仪数据处理应用程序主要功能和使用方法。
1、 单入射测量无吸收的薄膜。
（1） 程序的主窗体如图6所示。首先在“设定计算参数”框中选择“设定
薄膜消光系数”，并输入其值为0，这对应的就是无吸收薄膜的情况。
（2） 然后在“测试条件”框中输入入射波长、环境折射率、衬底折射率和
消光系数。在程序数据库中保存常用的光源及其入射波长，以及常用的衬底
材料的折射率和消光系数，输入时只需在“光源名称”和“衬底名称”下拉
列表中选择相应的名称，即可自动填入波长数值和折射率、消光系数数值。
程序中已嵌入了氦氖激光的波长632.8nm ，衬底为K9玻璃，折射率为1.515，
消光系数为0。环境折射率这里取空气的折射率1。由于无须双入射角测量，
所以只填入了第一入射角度为70度。（可以看到第二入射角文本框以及上面
的“第二入射角测试结果”框是灰色不可用的）
（3） 然后在“第一入射角测试结果”框中输入测试结果A 、P 。其中0.3
代表的是读数误差。
（4） 然后在“绘图范围”框中输入合适的作图范围。图6所示的范围表示
将首先作出膜厚0nm 、10nm 、20nm 直到200nm 的一组“等膜厚”的线（蓝色），
然后作出折射率为1.1、1.2、1.3直到2.5的一组“等折射率”的线（红色）。
作图区域的放大倍数为1。消光系数的上下限被设臵为灰色不可用。
在设臵完上述参数后单击命令按钮“开始作图”，这些参数就被输入到程序中。 同时在作图区域标出坐标，其中X 轴为椭偏参数Δ，Y 轴为椭偏参数Ψ，如图7
所示。测试结果A 、P 换算为Ψ和Δ后也被标记在作图区域中。在单入射角情况
下，其位臵始终位于作图区域的中心。（在无放大的情况下，测试结果点在图中
不是很明显，但放大后就很清楚了）。
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
图6 程序主窗体
（5） 单击命令按钮“下一条线”或者直接单击作图区域，将依次画出各条“等膜厚”线和“等折射率”线，同时在窗口左下角显示出膜厚或折射率的值，如图8、9所示。在图8中可以看到测试结果点介于70nm 和80nm 等膜厚线之间，此时可以立即修改“绘图范围”框中的膜厚范围，而无须等到作图完成。在图9中可以看到测试结果介于1.8和1.9等折射率线之间，同样可以立即修改“绘图范围”框中的折射率范围，并设定新的放大倍数。然后可以单击命令按钮“所有线”，结果先前条件下的作图，其结果如图10所示。
图7 作图区域中的坐标
图8 测试结果点介于70nm 和80nm 等膜厚线之间
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
图9 测试结果点介于1.8和1.9等折射率线之间
图10 切换坐标完成后的图形
（6） 再次单击命令按钮“开始作图”，重复前面的操作，可以进一步得出结果，薄膜样品的厚度为78±1nm ，折射率为1.88±0.01，如图11所示。在图六的放大倍数下，测试结果点表示为作图区域中心的暗色矩形，矩形的大小除取决于放大倍数外，也取决于在“第一入射角测试结果”框中输入的读数误差的大小。
（7） 从图中得到的厚度并非薄膜的真实厚度，而需要加上若干个测量周期厚度。测量周期厚度取决于入射角、入射波长和薄膜的折射率。在作图区域下方输入薄膜的折射率，即可在下拉列表框中显示出测量周期厚度值。若同时输入从图中得到的厚度值，然后拉开下拉列表框，就可以看到加上若干测量周期厚度后，薄膜的真实厚度，参见图11（至于到底需要加上多少个测量周期厚度，只能由其他的测量或估计得出。）
图11 重新放大后作图，以及薄膜的真实厚度
（8） 需要说明的两点。首先，原则上作图区域的放大倍数是不受限制的，但由于有读数误差存在，放大倍数越大，相应的暗色矩形也越大，因而并不能得到无限精确的读数，这样也就直观地表示出了结果的误差范围。其次，当绘图范围中设定的厚度上下限超过薄膜的测量周期厚度时，等膜厚线和等折射率线就会出现重复的情况，因而显得较为杂乱（参见图10）。但将膜厚上下限范围限制在一个测量周期之内，则各组线之间的趋势是非常简单和明确（参见图11）。
2、 有吸收的薄膜。
(1) 对于有吸收的薄膜而言，其参数包含三项，即薄膜厚度、折射率和消光
系数，而椭偏方程只能解出两个未知数，所以必须寻找附加的条件才能
求解。本程序求解有吸收的薄膜有两种方法。一种是从其他途径得到一
个薄膜参数，第二种是采用双入射角进行测试。
(2) 若能够从文献资料或其他测试中得到薄膜三个参数中的任何一个，则将
此参数输入到“设定计算参数”框中的相应文本框中，即可按照与前面
类似的步骤进行求解。例如，假定知道薄膜的折射率为1.88，可以求解
出膜厚为78nm ，消光系数为0（参见图12）。
(3) 另一种方法是改变入射角，采用双入射角测试，这在仪器操作上是很容
易实现的。在窗口中输入两个入射角角度及其各自的测试结果，然后假
定一个参数（例如膜厚），按照前面的步骤作图，这时程序会同时作出两
组图线（第二组图线为黑白两色），分别对应两个入射角度。由此可以得
出两组薄膜参数（例如在假定膜厚已知时，可以得到折射率和消光系数），
比较两组参数是否相近，若相差太远，修改假定参数的值，直到两组结
果相近为止，即为所需的薄膜参数(参见图13) 。
12
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
需要说明的是，双入射角测试是采用尝试的方法求解。若对薄膜某个参
数有所了解，这个尝试求解的过程是可以很快完成的。
(5) 另外需要说明的是，本程序是根据理想状态下得到的椭偏数学模型进行
计算的，在一定误差范围内可以用于弱吸收的介质薄膜求解，但对强吸
收的金属薄膜只能得出一个大致的结果。
3、 测量衬底材料的折射率。
（1） 了求解薄膜参数，必须首先知道衬底材料的折射率和消光系数。除查阅
相关文献资料外，也可以直接用椭偏仪测量衬底体材料的复折射率。
（2） 计算出衬底体材料的复折射率后，可以直接将其添加到前面提过的常用
光源和常用衬底数据库中，方便用户的使用。
(4)
图12 假定知道薄膜折射率为1.88，求解膜厚和消光系数
【注意事项】
1. 在实验之前，先检查各元器件是否齐全完好，并且区分望远镜、平行光管、
起偏器和检偏器；
2. 在分光计的调节过程中，在望远系统的调节前注意在内侧装上会聚透镜；
3. 在测量之前应保证起偏器的内外盘读数头均处于零度，检偏器的外盘读数
头处于90°。在读数头的调节中应轻轻转动整个读数头而保持盘上的读数不变，注意1/4波片的放臵及调整；
4. 刚开始测量时检流计应打到最大档，在测量过程中根据实际情况从大到小
调节量程。衰减旋钮顺时针旋转至不可再旋时，检流计上的示数为标准电
流；
5. 分别使检偏器外盘读数大于和小于90°，在此基础上分别转动起偏器的外
盘到检流计示数最小；
实验重点及难点：
偏振光在界面或薄膜上的反射时出现偏振态改变的过程和数字化的处理思想。 椭偏仪测量薄膜参数的原理的理解。
图13 双八射角法尝试求解
【实验数据】
【数据处理】
【实验结论】
实验使用的半导体激光器波长λ=635nm
待测样品膜厚 d=460nm
1/4波片折射率n=1.980
当1/4波片至于-45o 时
14
旋光仪测定溶液的浓度及旋光
将这些数据输入计算机中，然后经过计算机的处理和人工智能操作可得到如下精确数据
薄膜厚度：180.1929nm
折射率 ：1.347
周期厚度为：329.0nm
0周期为：180.2nm
暨测量周期为329.0+180.2=509.2nm （与460相差最小）
【误差分析】
本实验有较大误差，在判断消光时，靠人眼分辨不是很准确，而实验中又
多次要用观察，因此产生很大误差，读角度时，有仪器分度的误差，和读数误差，而且由程序拟合结果必然存在误差。
【思考题】
1. 1/4波片的作用是什么？
答：使入射的线偏振光变成等幅椭圆偏振光，即圆偏振光，简化后续实验和计算。
2. 用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？
答：让一束椭圆偏振光以一定的入射角入射到薄膜系统的表面，经反射后，反射光束的偏振状态（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜的厚度和折射率有关，因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜后和折射率。具体关系反应在下面两个方程中：
r 21p +r 22p +2r 1p r 2p cos 2δ1+r 21s r 22s +2r r cos 2δ1s 2s tg ψ=[?2221+r 1p r 2p +2r 1p r 2p cos 2δr 1s +r 22s +2r 1s r 2s cos 2δ]1/2
2-r (1-r 1s ) sin 2δ2s ?=tg -tg r 1p (1+r 22p ) +r 2p (1+r 21p ) cos 2δr 1s (1+r 22s ) +r 2s (1+r 21s ) cos 2δ -1-r 2p (1-r 21p ) sin 2δ-1
所以若能利用消光法从实验测出椭偏系数ψ和?，原则上就可以解出薄膜
的厚度和折射率。
